聲波諧振器及其傳感器應用研究.pdf

1、隨著半導體和MEMS工藝的進步以及物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，傳感器在我們的日常生活以及工業(yè)生產(chǎn)中幾乎無所不在，已經(jīng)成為了我們的第三只眼睛和耳朵，為我們提供更高的生活質(zhì)量以及保障工業(yè)生產(chǎn)順利進行。常見的傳感器類型有電阻型，電感型，壓電型，電容型，金屬氧化物半導體型等不同工作原理的傳感器。本文主要圍繞壓電型聲波傳感器展開研究，包括聲表面波傳感器和薄膜體聲波傳感器，研制了柔性、透明聲表面波濕度傳感器、薄膜體聲波壓力、紫外光和濕度傳感器，并研制了基于薄

2、膜體聲波諧振器的陣列傳感器芯片及多氣體多參數(shù)檢測系統(tǒng)。希望通過本研究，為聲波傳感器在生活、生產(chǎn)、物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等各方面的普及應用打下基礎。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴在玻璃和PI襯底上通過反應式磁控濺射的方法生長了高質(zhì)量的ZnO薄膜，并制備了性能優(yōu)良的延遲線型聲表面波器件。深入研究了基于玻璃襯底的聲表面波傳感器的響應原理，并研究了有望用于柔性可穿戴設備的基于 PI襯底的柔性聲表面波器件，對柔性聲表面波器件產(chǎn)生的兩個諧振峰進行了詳

3、細的分析，確認了這兩個諧振峰是Lamb波的兩個零階模態(tài)，即對稱零階模態(tài)（S0）和非對稱零階模態(tài)（A0）。采用新型納米材料氧化石墨烯做敏感膜，研究了柔性聲表面波器件的兩個諧振峰的濕度響應。針對柔性器件可彎曲的特性，探索了它們在不同彎曲狀態(tài)下的濕度響應能力，器件在彎曲狀態(tài)（應變約為2000??）時，仍然具有非彎曲狀態(tài)下的濕度響應能力，同時，對器件進行彎曲性能的測試（應變約2000??），結(jié)果表明，當器件彎曲次數(shù)達到8000次時，器件仍保持著

4、良好的性能，展現(xiàn)出了優(yōu)越的柔性應用潛力。⑵分析了薄膜體聲波器件的工作原理，并利用 ADS軟件建立了薄膜體聲波器件的Mason模型。利用實驗室現(xiàn)有的MEMS工藝，采用背刻蝕的方法，設計和制備了以氧化鋅為壓電薄膜的薄膜體聲波諧振器，所制備的背刻蝕型FBAR器件，其工作頻率為1.95GHz時，Q值為2500多，并驗證了所建立的薄膜體聲波諧振器的Mason模型的仿真結(jié)果與實驗結(jié)果的一致性。對有二氧化硅支撐層的薄膜體聲波器件，分析了其產(chǎn)生多個諧振

5、峰的原因及在各個諧振峰的聲波振動模式。以背刻蝕型的FBAR為基礎，提出了使用UV感光膠水和玻璃把背刻蝕的通孔密封起來的新型壓強傳感器結(jié)構(gòu)。并研究了薄膜體聲波諧振器的多個諧振峰對壓強的響應及溫度特性，發(fā)現(xiàn)模式1諧振峰對壓強變化具有最好的靈敏度，三個諧振峰對壓強的響應具有良好的線性度，非常適合于做輪胎壓強傳感器。提出了一種具有多孔上電極的薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)，通過實驗對比發(fā)現(xiàn)，具有多孔上電極的薄膜體聲波器件具有更好的紫外響應能力，實驗結(jié)果表

6、明多孔上電極增加了紫外光的透過率，提升了薄膜體聲波諧振器的紫外探測能力。⑶對FBAR的質(zhì)量傳感器原理進行了數(shù)值分析，采用 Mason模型和有限元模型對質(zhì)量負載效應進行了數(shù)值仿真。采用分立器件設計和制備了基于FBAR的Pierce振蕩器，并采用氧化石墨烯做敏感膜，進行了基于薄膜體聲波振蕩器的濕度傳感研究。并搭建了傳感器的氣體陣列全自動測試系統(tǒng)，包括氣體產(chǎn)生系統(tǒng)，測試腔體以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。采用Invensense提供的MEMS工藝PDK和G